西安市城区给水管网扩建工程设计介绍

作者:EA视讯 | 2020-10-24 18:59

  西安是世界闻名的历史文化名城,我国重要的科研、高等教育及高新技术产业基地,北方中西部和陇海兰新地带规模最大的中心城市。陕西省省会。历史上曾有十二个王朝在此建都。

  西安市地处关中平原中部,南依秦岭,北临渭河,毗邻黄土高原,海拔约400m。市区大部分面积在渭河以南,城区座落在渭河南岸的二级阶地上,南高北低。南部山区雨量较为丰沛,是地面径流的主要产流区,平原主要由河漫滩、阶地和山前冲洪积平原组成。境内多年平均降雨量为580.2 mm,且主要集中在7~9月份,占全年降雨量的45~60%。市区年平均气温13.3℃,极端最高气温41.7℃,极端最低气温-20.6℃,最大冻土深度450 mm。境内主要河流有13条,其中,渭河自西向东穿越全境,泾河由北注入渭河,其余灞河、浐河、沣河、涝河、田峪、黑河等11条河流,发源于秦岭北麓,由南向北流入渭河。境内多年平均地面径流量为25亿m3。

  西安市现辖七区六县,总面积9983km2,人口近700万,其中:城市建成区面积142 km2,人口270多万人,流动人口70多万人。拥有工矿企业4000多家,高等院校50余所,科研机构400多个。是我国主要的旅游城市之一。

  随着西安城市规模的扩大,工业生产、旅游事业的兴旺以及人民生活水平的不断提高。水源、能源、交通和通信等供需予盾日益尖锐,城市供配水日趋紧张,供水不足逐年加剧。根据1983~1994年10年的统计资料表明,城市用水需求量年增长速度为5.1%,而供水能力的增长速度仅2.4%。

  西安市于1985年开始筹建新的城市水源-----黑河引水工程,工程分两期,一期工程已于1996年完成,增加市区供水60万m3/d,使市区总供水能力提高到122万m3/d,大大缓解了西安的用水紧张状况;二期工程是在一期工程的基础上再增加供水量50万m3/d,使市区总供能力达到172万m3/d。

  西安城市给水管网经过四十余年的建设发展,已形成了122万m3/d的输配水能力,建成配水管网1220km,供水面积142 km2,供水表户13000多户,供水普及率94.1%,普遍的服务压力20~40m。供水水质符合国家饮用水卫生标准。现有城区各水源水厂最高日供水量详见表一。

  表一 单位:万米3/日序号水源称 水厂 称 供水量 1灞河水源(直供灞区)11.00 2 浐河田家湾水源 东郊南北厂 1.10 3浐河地面水源 田家湾地面水厂 10.00 4 浐河十里铺水源 十里铺水站 0.80 5 沣、皂河水源 西郊南北厂 10.207 皂河水厂 3.493 6 渭河北郊水源 郭家村水厂 9.40 7 渭河西北郊水源 邓家村水厂 14.40 8 灞河段村水源 太华路水站 1.60 9 黑河、石头河水源 曲江水厂 60.00 10 合计 122.00

  西安城市给水管网虽然经过四十余年的建设发展,形成了一定的供水规模。但由于城市建设发展较快,供水任务重,管网建设一直处于边建设边使用的状态,统一管理调度的水平较低,因此,多年来一直沿用分区供水的形式,供水的安全可靠性差。

  目前,随着西安城市规模的扩大,经济发展和居民生活水平的不断提高,城市供水日趋紧张,城市对供水可靠性的要求也越来越高。虽然黑河、石头河水引入西安后,供水状况得到了改善,但由于城市给水管网建设相对滞后,配水支管的配套建设也一直没有跟上,使管网难以全面合理地向全市配水。主要存在以下几个方面的问题。

  (1)现有旧城区的部分管道使用年限都在30年以上,口径小,配水量不足,有些还不符合规划发展的要求,需要结合规划更新改造。

  (2)黑河二期工程完成后,将增加供水量50万m3/d,因此,管网须相应增加配水管道、扩大供水范围。

  (3)增加黑河供水后,使原有城市供水以地下水源为主变成了以地面水源为主。原有地下水源是从东郊、北郊、西郊分别向城区供水;新建地面水厂是从南郊供入城市管网,改变了现有城市的供水方向。因此,整个城市给水管网的骨架应相应调整。

  (4)现有城市由于供水量较小,因而形成的配水管网密度与管径偏小,增加黑河供水后,须相应增大配水管网的密度和管径。

  (1)提高管网的配水能力:到2002年整个黑河引水工程全部建成后,可向市区最高日增加供水量110万m3/d,使全市的总供水能力提高到172万m3/d,须相应提高管网的配水能力。

  (2)改善现有管网的配水状况:针对目前配水管网存在的问题,逐步对老管道进行改造,调整管网骨架,增加管网密度,扩大供水范围,提高供水普及率,改善供水压力。

  (3)扩大管网的供水区域:近几年,随着改革开放的进一步深入,西安市分别在市区北郊、东南郊、西南郊新建了开发区。这些开发区均分布在市中心区的外围,尚未发展给水管网。随着开发区建设规模的逐步扩大,给水管网建设应相应跟上。

  (4)提高管网的调度管理水平:城市供水企业有别于其它行业。给水设施从水源、取水、净水、输配水至用户具有环节多、范围大、连续性强、重要程度高等特点,要使之安全、可靠、经济、合理、连续的运行并非易事。随着用水量日增,水源污染的加剧,供水规模及处理工艺的复杂性随之增加。为了保证城市供水产品质量和服务质量,保证水质指标合格率、管网供水压力合格率、管网修漏及时率,作为西安市有必要建立以计算机网络为基础的分布式SCADA系统。提高管网的调度管理水平,为大中型项目的建设和吸引外资创造良好的生产、生活及投资环境。

  按照《西安市城市总体规划》,西安市中心城市由中心市区(城市三环以内)和其环绕周围的未央、洪庆、新筑、六村堡、纪杨、纺织城、草滩、泾河、韦曲、临潼和阎良11个外围组团所组成。根据市自来水公司业已形成的供水区域和西安市的发展情况,本次管网设计供水范围主要包括:中心市区、纺织城、未央经济技术开发区和六村堡区四个区。中心市区158.8km2、未央区17 km2、纺织城7 km2、六村堡区6km2,四个区合计188.8 km2。

  根据《西安市城市总体规划》,到2005年,中心城市的常住人口为270万左右,流动人口70万左右;其中:中心市区208.9万人,未央区15万人.纺织城7万人,六村堡区6万人,四区合计总人口236.9万人,若流动人口按70万计,则用水人口约为306万人。

  根据《室外给水设计规范》,结合西安市的人口规模和所处地区,居民平均日综合生活用水定额宜取240L/人·日,最高日综合生活用水定额宜取280L/人·日。

  按照《西安市城市总体规划》,到2005年西安全市工业总产值为700亿元/年(90年不变价);其中:中心市区为269.10亿元/年;未央区为48.50亿元/年;纺织城为20.70亿元/年;六村堡区为23亿元/年。四区合计361.3亿元/年。因此,2000年全市供水区的工业产值为361.30亿元/年。

  根据西安市给水工程规划,2005年的工业用水指标为84~110 m3/万元·年。设计中结合新的城市给水设计规范要求和西安市的工业产值目标,考虑到西安地区水资源缺乏,应在工业企业内部贯彻开源与节流并重的方针,提高复用或循环用水的比率,进一步调整工业结构,降低耗水量,以及近十年来的物价因素,并参考国内其它大中城市的情况。本次设计工业用水指标按80 m3/万元·年设计。

  参考《西安城市给水工程规划》,城市浇洒道路、绿化和市政用水量取工业与生活总用水量的2%。

  根据市节水办提供的资料,目前市区各单位共有自备井520眼,产水能力22万m3/d,其中超采量约8万m3/d,鉴于目前以及今后几年内,西安市的供水状况将仍然紧张。因此,设计年限内各单位自备井的开采量按14万m3/d设计。

  根据上述用水人口、工业产值等指标,推算市区2005年总用水量,再扣除各单位自备井开采量,并考虑管网漏损水量等因素,则西安市城区2005年最高日需水量为172万m3/d。详细计算见表2。

  根据西安市自来水公司供水四十多年来业已形成的配水管网现状和多水源供水的特点,为了使城市现有水源和管网的供配水能力得到充分的发挥;使新增管道更好地发挥作用和效益,在此次管网设计中,我们对西安市城区配水管网按多水源统一进行了平差,并希望达到如下目的:

  此次管网平差设计节点流量分配是在1996年8月西安市自来水公司实测用水量的基础上,结合近期部分大用户的用水需求以及市区的发展规划通盘考虑后而分配的。西安市城区2005年需水量分配计算详见表3。西安市城区172万m3/d供水规模最高日水量供需平衡图见附图。

  为便于管网平差计算,设计中将全市的用水量分别简化分配在247个用水节点上,每个节点是按其所处的分区分别计算其节点流量的。

  ●管网平差是对整个城市配水管网按多水源统一进行计算。主要设计计算工况如下:

  由于西安市多年来一直严重缺水,有约60%的供水区常年水压不足。去年黑河、石头河水引入西安后,用水紧张状况虽然得到了一定改善,但仍有部分区域由于重力供水的特点,水压无法保证。黑河引水工程全部建成投产后,其供水量将占全市总供水量的64%,供水范围将占整个市区总面积的一半以上。由于供水范围内的地形高差达30多米,既要保证重力供水、又要各节点提高供水压力是不实际的。因此,设计中,干管最不利点的最低压力按10米控制,主要居民区的供水压力争取达到20米。

  根据目前西安市城区业已形成的供水布局情况,管网平差主要对中心市区管网进行了平差计算;其余:东郊浐灞区由于与市区管网独立,按独立供水区考虑;西郊化工区为独立的低压供水区,平差计算中也按独立供水区考虑;六村堡区由于与市区完全脱离,按独立供水区考虑。

  ●此次管网平差设计主要是因为增加了黑河来水量而进行的,城市现有其它水源的产水量并未增加,因此,新管的布置按供水范围以南郊、东南郊、西南郊为主。

  ●由于增加了黑河引水量,使现有各水源的供水范围相应发生了改变,设计中,在市内其它各区也相应增设了部分管道;

  ●为便于任一水源和主要配水干管发生事故时水量的调配,设计中分别在新修的二环路、西影路、环城路等部位铺设了较大管径的管道,以便于水量调配。

  根据《室外给水设计规范》,城市供水的时变化系数Kh在1.3—1.6之间,按照特大城市和大城市宜取下限、中小城市宜取上限的原则,考虑到西安市为特大城市,因此,时变化系数取Kh=1.3。

  计算管网是在西安市城区管网现状的基础上,依据城区给水管网规划进行了增补修改,共简化产生了160多个环节,近700根管段,233个节点。管网简化力求接近实际,所收集的基础资料全面且具有代表性。

  西郊化工区由于所需压力较城市管网低,设计中采用了分区平差计算,其年需水量主要由皂河水厂供给,不足部分由曲江水厂供给。

  东郊灞桥区由于历史原因,已形成了独立的供水系统,因此,管网平差时仅对其需水量和水源供水方向进行了考虑,未纳入城市管网进行平差计算。

  平差计算采用:“LOOP—环网模型BASIC程序”上机计算。该程序采用Hardy—Cross计算方法,假定管段落流量和计算管段流量的修正量,并用 The Hazen-Williams公式计算管段的水头损失。设计环闭合差为△h=0.005米。

  由于黑河引水工程全部建成后,将成为今后西安市的主要供水水源,供水量将占全市总供水量的64%。而且,千户村和曲江都地处南郊,地势比市区高出40米左右, 为了充分利用这一有利条件,设计中采用了重力供配水的方式。这样,南郊水厂和曲江水厂的出厂水位将直接影响到市内各区的用水压力和其它水源的供水压力。因此,在平差计算中,选用南郊水厂清水池水位作为西安市的供水压力控制点(南郊水厂清水池水位比曲江水厂清水池水位低5m)。

  根据《建筑设计防火规范》和西安市城市规模,设计中按市区同时发生火灾5次,每次火灾用水量100L/s进行管网平差校核计算。

  为了提高管网的供水保证率,使管网中的供水干管在发生事故或检修时不致于对城市工业和居民生活造成太大影响,管网平差设计计算时假定在南郊水厂和北郊邓家村水厂各有一根供水干管发生事故,但各水源仍能保证供给市区最高日最高时用水量的70%。

  平差计算是按以上所定的设计原则,计算方案、简化管网、设计参数分别对设计工况进行了上机计算。计算中,为了满足计算程序的要求,简化计算工作,还将管网中两个节点现有的多个旧管段简化成一当量管径,使当量管的水头损失与原有管段的水头损失相等。由于新增管道需要按计算进行调整修改,因此,未换算成当量管径计算,而是直接列入程序进行计算的。

  通过计算又对设计新增管道从数量、管径、管位等进行了调整,另外,还从调度管理和管道铺设是否有管位等方面进行了补充修改。

  表4 单位:万m3/日序号水源名称水厂名称供水范围供水量 1灞河水源(直供灞区)浐灞区11.00 2浐河田家湾水源东郊南北厂中心市区1.10 3 浐河地面水源 田家湾地面水厂浐灞区6.038 中心市区3.962 4浐河十里铺水源十里铺水站中心市区0.80 5 沣、皂河水源西郊南北厂中心市区10.207 皂河水厂化工区3.493 6渭河北郊水源郭家村水厂中心市区9.40 7 渭河西北郊水源 邓家村水厂六村堡区1.00 中心市区13.40 8灞河段村水源太华路水站中心市区1.60 9 黑河、石头河水源曲江水厂中心市区60.00 南郊水厂中心市区50.00 10合 计 172.00

  表5 单位:万m3/日序 号水 源 名 称水 厂 名 称供 水 范 围供 水 量 1灞河水源(直供浐灞区)浐灞区9.782 2浐河田家湾水源东郊南北厂中心市区1.10 3 浐河地面水源 田家湾地面水厂浐灞区5.369 中心市区2.862 4浐河十里铺水源十里铺水站中心市区0.448 5 沣皂河水源西郊南北厂中心市区6.448 皂河水厂化工区3.058 6渭河北郊水源郭家村水厂中心市区5.269 7 渭河西北郊水源 邓家村水厂六付堡区0.889 中心市区7.512 8灞河段村水源太华路水站中心市区0.897 9 黑河、石头河水源 曲江水厂中心市区60.00 南郊水厂中心市区49.27 10合 计 152.90

  根据计算成果,最高日最高时城区有85%的区域供水压力均在20m以上;12.7%的区域供水压力在10m~20m米之间,有2.3%的区域供水压力小于10m。基本上满足了城市供水的压力的要求。管网各区的供水压力分布详见表6。

  根据设计所假定的最不利管段发生事故时,代入最高最高时节点流量的70%,经计算,管网中有82.2%的区域供水压力大于20m,有14.7%的区域供水压力在10~20m之间,有3.1%的区域供水压力小于10m.。满足事故时城市供水的压力要求。

  在管网设计最不利点同时发生火灾的情况下,管网中各节点的供水压力与最高日最高时的各节点供水压力基本相同,97%以上的区域供水压力均满足消防时水压的要求,未达到10m水压的节点均位于曲江水厂和南郊水厂附近(两座水厂为重力供水),可从附近的水厂或管网取水灭火。

  ④给水管网扩建工程完成后,城区的供水范围将从现在的142km2扩大到188.8 km2;基本上满足了西安近期内的供水需求,并可改善工业与居民的用水状况,还可为大、中型项目的建设和吸引外资创造良好的生产、生活及投资环境。

  从表7可以看出:西郊南北厂、邓家村水厂、郭家村水厂、十里铺水站均可通过更换水泵叶轮,降低扬程,就可满足管网设计供水压力要求;

  东郊南北厂和田家湾地面水厂则需更换水泵后才能满足管网设计供水压力的要求;

  段村水源附近宜增设加压站,加压站扬程可控制在50m左右,这样,既可改善深井泵的工况,又可提高深井泵的工作效率,节省电耗。

  管材的选用是本工程的主要环节。管材选用的是否适当,直接关系到工程造价并影响到工程的使用年限。根据国内外目前的发展情况,可用于城市输配水管网的管材主要有以下几种:球墨铸铁管、玻璃钢管、钢套筒予应力钢筋混凝土管、予应力钢筋混凝土管、普通铸铁管等。考虑到予应力钢筋凝土管虽然价格较低、虽能承受一定的压力,但没有配件,接口精度差,易出现渗漏,不能承受较高压力和供水安全可靠性差;普通铸铁管由于其制造工艺和承压等方面的原因,给水行业已逐步放弃使用。因此,设计中主要对球墨铸铁管、钢套筒混凝土管和玻璃钢管三种管材进行了分析比较。详见表9。

  做内衬可防止无影响 不结垢无影响 不结垢 使用范围干管、支管干管支管、干管 接口形式承插口橡胶圈承插口橡胶圈套管、橡胶止水带 耐久性耐久内衬50年较耐久50年 漏水及爆管不易漏水

  (按相同过水能力玻璃钢管以DN800计) 发展趋势有前途用于输配水有前途用于输水有前途范围广

  从分析来看:干管大于DN2000宜选用玻璃钢管或钢套筒混凝土管(PCCP管);DN800~DN2000的干管宜选用球墨铸铁管或玻璃钢管,支管宜选用球墨铸铁管。

  根据西安地区的地基条件,设计中考虑钢套筒混凝土管选用素混凝土条形基础,球墨铸铁管和玻璃钢管选用砂基。特殊地段,如地裂缝、古墓、湿陷性黄土等,均按具体地质条件做了设计处理。

  管理埋深,考虑到西安地区的冻土深度、城市规划等情况,干管理深均大于2.0米,支管理深在1.0~2.0米之间。

  设计中,除在主干管道最高点处设有自动进排气阀门外,还在主干管道的水平管段上每公里设置一个自动进排气阀,这对于西安市以自流为主的供水方式尤为重要。同时,考虑到管道定期维修和初期运行时管道清洗的需要,还在管道最低点等部位设计有放空阀门井。

  根据设计所推荐的管材,玻璃钢管不需要进行防腐处理;钢套筒混凝土管除遇特殊地段需做沥青外防腐外,一般不需要进行防腐处理;球墨铸铁管要求出厂前必须做好水泥砂浆内防腐和环氧煤沥青外防腐,现场不需要进行防腐处理。

  为了便于管网的维修管理,设计中按不同管径和管段分别设计了一定数量的阀门,考虑到管网的压力较低,为便于安装和使阀门井较小,设计中全部采用蝶阀,同时考虑到管网阀门的使用频率较低,橡胶止水圈容易老化等原因,设计推荐采用金属硬密封蝶阀。

  在给水管网扩建工程调度管理设计中,采用了SCADA(监控和数据采集)系统,该系统使用开放性结构、标准通讯协议、数据库、局域网,软件功能块化及软件包化。

  本监控和数据采集系统,由一个调度主站(设置在西安自来水公司)和100个现场终端组成星形网一级管理。信道全部为无线信道,现场检测仪表及执行单元可按需要灵活配置。

  主站设置有:监控及数据采集微机、S3四屏卡、打印机、数传电台、全向天线、UPS电源、模拟盘(3000×7000 mm)等。

  ①主站功能:调度主站具有实时功能、数据处理功能、管理功能、图形功能和组态功能。

  ●实时功能:即遥测、遥讯、遥调和遥控功能。其中遥测有定时巡检、随机点测、成批采集和分组召检等。当使用遥调、遥控功能时有闭环自控、编组循环和交互对话等功能。

  打印报表,包括:调度日志、日、月、季、年等报表,各类统计报表及图形曲线拷贝;

  参数状态管理,包括:查询修改终端联网、脱网状态、通道连接状态、参数设置、校时等;

  ●图形功能:显示总貌、工艺流程、工况等画面,绘制各种重要曲线、图形检索再生等。

  ●组态功能:在调度主站设置有远方终端组态,包括:属性、数量、站号、各路编号、四遥路数、定义、限值、标变、截距、显示位置和校时,组成开放系统,以便于扩展和互换。

  ②终端站功能:现场终端站的功能有:数据采集、数据发送、命令识别、数据存贮管理、自动复位、掉电保护、调试诊断、就地显示、呼叫、预置修改数字量值等。

  七.总 结本次管网工程扩建是西安市给水管网建成以来投资规模最大的一次,共需新铺设管道近154km,其中DN1000~DN2400的管道16km,DN300~DN800的管道138km。总投资3.8亿元人民币。管材除DN2400的输水管采用钢套筒预应力钢筋砼管外,其余均采用球墨铸铁管。

  管网平差设计是西安市供水四十多年来第一次将整个城市的给水管网作为一个整体进行平差计算,其成果填补了西安市在多水源优化供水、管网经济合理安全运行等方面如何进行科学管理的空白,为将来西安市的给水规划和城市发展提供了重要的理论依据。

  通过本次管网工程扩建,可大大改善管网的供水水质和供水压力,加快管网的修漏速度,提高城区管网的调度管理水平。为迎接西部大开发创造了条件,为改善西安的旅游环境,为大中型项目的建设、举办全国性大型会议和吸引外资提供了良好的生产、生活及投资环境。


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